silnik synchroniczny magnetoelektryczny, rozruch własny, nowa struktura wirnika, analiza wybranych stanów pracy
Mariusz BARAŃSKI, Wojciech SZELĄG, Cezary JĘDRYCZKA, Jacek MIKOŁAJEWICZ*
ANALIZA SILNIKA SYNCHRONICZNEGO O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM
I MAGNESACH W WIRNIKU
ROZŁOŻONYCH W KSZTAŁCIE LITERY U
W artykule dokonano analizy procesu rozruchu i stanu pracy ustalonej silnika synchronicznego magnetoelektrycznego przystosowanego do rozruchu bezpośredniego. Badania symulacyjne prze- prowadzono przy wykorzystaniu polowo-obwodowego modelu zjawisk i programu symulacyjnego, opracowanego w środowisku Maxwell. Rozpatrzono silnik o wirniku z magnesami trwałymi ułożo- nymi w obszarze podziałki biegunowej wirnika w kształcie litery U. Przyjęto, że pakiet stojana jest identyczny jak w seryjnie produkowanym trójfazowym czterobiegunowym silniku indukcyjnym o mocy 3 kW. Analizowano m.in. wpływ napięcia zasilania i liczby zwojów uzwojenia stojana na pa- rametry rozruchowe i parametry funkcjonalne silnika w stanie pracy ustalonej. Przedstawiono wy- brane rezultaty badań oraz wynikające z nich wnioski.
1. WPROWADZENIE
W ostatnich latach wzrasta zainteresowanie magnetoelektrycznymi silnikami synchronicznymi przystosowanymi do rozruchu bezpośredniego. W literaturze określane są one skrótem LSPMSM (ang. Line Start Permanent Magnet Synchro- nous Motor) [1, 2, 3]. Silniki te charakteryzują się większym współczynnikiem mo- cy i sprawnością w porównaniu z klasycznymi silnikami indukcyjnymi klatkowymi.
Z tego względu silniki LSPMSM są szczególnie pożądane w układach napędowych przeznaczonych do pracy ciągłej, stosowanych m.in. w napędach pomp i wentylato- rów w górnictwie.
Przy opracowywaniu nowych konstrukcji silników synchronicznych przystosowa- nych zarówno do rozruchu bezpośredniego, jak i rozruchu częstotliwościowego, celo-
__________
* Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3a, 60-965 Poznań.
Nr 66 Politechniki Wrocławskiej Nr 66
Studia i Materiały Nr 32 2012
nika.
W pracy zaproponowano konstrukcję silnika LSPMSM bazującą na stojanie czte- robiegunowego silnika indukcyjnego przystosowanego dla zasilania napięciem prze- wodowym 400 V. W celu zbadania możliwości wykorzystania tego silnika w przemy- śle górniczym przeprojektowano uzwojenie oraz przeprowadzono obliczenia przy napięciu przewodowym 500 V. Zaprezentowano wybrane wyniki badań symulacyj- nych oraz wynikające z nich wnioski dotyczące procesu rozruchu i stanu pracy ustalo- nej rozpatrywanego silnika.
2. PROJEKT NOWEJ STRUKTURY WIRNIKA
Na podstawie przeprowadzonych w Zakładzie Mechatroniki i Maszyn Elektrycz- nych Politechniki Poznańskiej analiz konstrukcji i wstępnej optymalizacji silników synchronicznych, zaproponowano nową strukturę wirnika silnika magnetoelek- trycznego przystosowanego do rozruchu bezpośredniego. Strukturę wirnika (bez zamontowanego uzwojenia klatkowego) pokazano na rys. 1. Przy projektowaniu silnika uwzględniono, że zadany jest wykrój blachy stojana. Wykorzystano rdzeń stojana seryjnie produkowanego czterobiegunowego trójfazowego silnika indukcyj- nego typu Sg100L-4B (rys. 2). W celu optymalnego wykorzystania obwodu ma- gnetycznego stojana trzeba było dostosować układ wzbudzenia (poprzez dobór roz- mieszczenia, grubości oraz parametrów materiałowych magnesów trwałych) odpowiednio do pożądanego rozkładu i wartości indukcji w szczelinie maszyny.
Przyjęto, że amplituda indukcji, ze względu na nasycanie się zębów i jarzma stojana jest zbliżona do wartości amplitudy pierwszej harmonicznej indukcji w szczelinie silnika indukcyjnego typu Sg100L-4B. Na rysunku 3 pokazano wykonany wirnik silnika modelowego.
Rys. 1. Fragment pakietu wirnika z magnesami
Fig. 1. Part of rotor core with magnets
Rys. 2. Stojana trójfazowego silnika indukcyjnego Sg100L-4B
Fig. 2. Stator of the three phase induction motor Sg 100L-4B
Rys. 3. Wirnik opracowanego silnika LSPMSM Fig. 3. Elaborated rotor of the LSPMSM motor
3. BADANIA SYMULACYJNE SILNIKA
Model polowo-obwodowy rozpatrywanego silnika opracowano w środowisku Maxwell. Geometrię wirnika oraz parametry uzwojenia stojana i układu zasilania spa- rametryzowano pod kątem potrzeb obliczeń optymalizacyjnych. Są one przewidziane na dalszym etapie badań. Przekrój poprzeczny silnika przedstawiono na rys. 4. Kon- strukcję wirnika opracowano na podstawie wstępnych obliczeń optymalizacyjnych z wykorzystaniem modelu obwodowego maszyny LSPMSM przeprowadzonych w ramach [10].
W celu późniejszej pomiarowej weryfikacji zbudowanego silnika wykonano obli- czenia symulacyjne procesu rozruchu i ustalonego stanu pracy. W równaniu dynamiki maszyny przyjęto, że moment bezwładności obciążenia jest równy momentowi bez- władności wirnika silnika, tj. jb = 0.0073 kgm2. Założono ponadto wentylatorową
Rys. 4. Struktura silnika z klatką rozruchową oraz magnesami rozłożonymi w kształcie „U”
Fig. 4. The structure of LSPMSM motor with „U” shape permanent magnets arrangement
Na rysunkach 5–7 przedstawiono porównanie przebiegów momentu elektroma- gnetycznego, prędkości obrotowej oraz prądów w uzwojeniu stojana od chwili załą- czenia napięcia do chwili ustalenia się prędkości obrotowej. Dodatkowo, na tych sa- mych rysunkach, w powiększeniu przedstawiono końcowe fragmenty zamieszczonych przebiegów. Prezentują one przebiegi uzyskane w ostatnim okresie napięcia zasilają- cego. Na rysunku 8 pokazano porównanie obliczonych fazowej i przewodowej sił elektromotorycznych indukowanych w uzwojeniu stojana przy znamionowej prędko- ści wirowania wirnika, n = 1500 obr/min. Siły elektromotoryczne wyznaczono dla maszyny nieobciążonej.
Na podstawie otrzymanych przebiegów czasowych wyznaczono i zamieszczono w tabeli 1 wybrane wielkości całkowe. Zestawiono w niej wartości skuteczne napięcia fazowego Uf i prądu fazowego silnika If, moc mechaniczną Pmech, moment elektroma- gnetyczny T, sprawność η, współczynnik mocy cosφ oraz wartość skuteczną induko- wanej przewodowej Ep i fazowej Ef siły elektromotorycznej. Wartość skuteczną prądu obliczono, jako średnią arytmetyczną wartości skutecznych trzech prądów fazowych.
Dla porównania w tabeli 2 zestawiono parametry znamionowe silnika indukcyjnego Sg100L-4B, na bazie którego opracowano analizowany silnik LSPMSM.
Rys. 5. Obliczone przebiegi momentu elektromagnetycznego Fig. 5. Calculated electromagnetic torque waveforms
Rys. 6. Obliczone przebiegi prędkości obrotowej Fig. 6. Calculated rotor speed waveforms
Rys. 7. Obliczone przebiegi prądu I wybranej fazy uzwojenia stojana Fig. 7. Calculated phase current waveforms
Rys. 8. Fazowa ef i przewodowa ep siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu stojana przy n = 1500 obr/min
Fig. 8. Induced electromotive force ef and ep (back emf) in stator winding at n = 1500 rpm
Tabela 1. Wybrane parametry funkcjonalne w stanie pracy ustalonym Table 1. Selected functional parameters in steady state
zc Uf [V] If [A] Pmech [W] T [Nm] η [%] cosφ [-] Ep [V] Ef [V]
U=400V 30 231 5.49 3447.42 21,94 0.909 0,996 331,21 191,35
U=500V 39 289 4,25 3439,85 21,89 0,930 0,998 430,77 248,86
Tabela 2. Wybrane parametry funkcjonalne referencyjnego silnika indukcyjnego Sg100L-4B Table 2. Selected functional parameters of reference asynchronous motor Sg100L-4B
zc Uf [V] If [A] Pmech [W] T [Nm] η [%] cosφ [-]
U=400V 30 231 6,6 3000 20,15 0,81 0,81
4. PODSUMOWANIE
W artykule zaprezentowano silnik synchroniczny magnetoelektryczny przystosowa- ny do rozruchu własnego o magnesach trwałych rozmieszczonych w wirniku w kształcie litery U. Przy budowie silnika modelowego wykorzystano podzespoły silnika indukcyj- nego klatkowego typu Sg100L-4B. Sparametryzowany model symulacyjny silnika opra- cowano w programie Maxwell. Wykorzystano go do analizy procesu rozruchu i stanu pracy ustalonego silnika. Przedstawiono wybrane wyniki obliczeń symulacyjnych. Roz- patrzono m.in. wpływ wartości napięcia zasilającego oraz liczby zwojów uzwojenia fazowego na wybrane przebiegi wielkości elektrycznych i mechanicznych. Zestawiono wybrane parametry całkowe charakteryzujące stan pracy ustalonej.
Analizując otrzymane wyniki można zauważyć niewielki wpływ napięcia zasilania (przy odpowiednio dobranej liczbie zwojów cewek uzwojeń fazowych) na przebieg procesu rozruchu. Wykonane badania symulacyjne wykazały, że wirniki silnika przy- stosowanego do pracy przy napięciu 400V, jak i silnika o napięciu znamionowym 500 V w wyniku przeprowadzenia rozruchu bezpośredniego bez problemu uzyskały prędkość synchroniczną. Natomiast obliczone na podstawie modelu polowo- obwodowego parametry funkcjonalne tych silników, tj. współczynnik mocy i spraw- ność są znacząco wyższe od parametrów funkcjonalnych klasycznego silnika induk- cyjnego. Ponadto na podstawie przeprowadzonej analizy zawartości wyższych harmo- nicznych w przebiegach prądów fazowych silników uzyskanych dla ustalonego stanu pracy wyznaczono współczynnik THDi. Jego wartość dla obu rozważanych wariantów silników magnetoelektrycznych synchronicznych była mniejsza od 8,5%.
Należy jednak zwrócić uwagę na to, że parametry obciążenia przyjęte w obliczeniach (relatywnie mały moment bezwładności oraz wentylatorowy przebieg charakterystyki mechanicznej obciążenia) ułatwiają proces rozruchu i synchronizacji silnika. Z tego względu w kolejnym etapie prac Autorzy planują analizować proces rozruchu dla znacz- nie większych momentów bezwładności oraz pomiarową weryfikację otrzymanych wy-
analysis, IEEE Trans. Ind. Appl., 2004, Vol. 40, No. 2, 516–525.
[2] POPESCU M., MILLER T., Line start PM motor: single phase starting performance analysis, IEEE Trans., IA-39, 2003, No. 4, 1021–1030.
[3] GWOŹDZIEWICZ M., ZAWILAK J., Influence of the rotor construction on the single-phase line start permanent magnet synchronous motor performances, Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 11/2011.
[4] ZAWILAK T., ANTAL L., Porównanie silnika indukcyjnego oraz synchronicznego z magnesami trwałymi i rozruchem bezpośrednim – badania eksperymentalne, Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne, Nr 77/2007, 277–282.
[5] JAŻDŻYŃSKI W., BAJEK M., Obliczenia analityczne silnika synchronicznego z magnesami trwa- łymi o rozruchu bezpośrednim(LSPMSM) z pominięciem zjawisk nieliniowych, Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne, Nr 83/2009, 73–76.
[6] TAKEGAMI T., TSUBOI K., HASEGAWA M., HIROTSUKA I., NAKAMURA M., Calculation method for asynchronous starting characteristics of Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motor, International Conference on Electrical machines and Systems (ICEMS), 10–13 Oct. 2010, 1137–1142.
[7] JIAN L., SONG J., CHO Y., High performance Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor for pumping system, International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), 4–7 July 2010, 1308–1313.
[8] FEI, W., LUK, P., MA, J., SHEN, J.X., YANG, G., A high-performance Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motor amended from a small industrial three-phase induction motor, IEEE Transaction on Magnetics, Issue 10, 4724–4727.
[9] LI M., LOWTHER D.A., Global and distributed torque calculations using the CDSA approach, Archives of Electrical Engineering, 2011, Vol. 60(4), 459–471.
[10] Raport zadania 8B – Baza wiedzy projektu NGNiPW POIG.01.01.02-00-113/09 http://www.ngn.
put.poznan.pl/BazaWiedzy/ (dostęp z dnia 15.03.2012)
ANALYSIS OF LINE START PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR WITH U-SHAPED MAGNETS ROTOR
In the paper transients under starting process and steady states of line start permanent magnet syn- chronous motor have been analyzed. Computer simulations have been performed using field-circuit model of the LSPMSM elaborated in the Maxwell environment. The structure of the rotor with perma- nent magnets arranged in “U” shape per pole has been used. It was assumed that the stator is made on the basis of mass-produced 3-phase, 4-pole, 3 kW squirrel-cage induction motor. The influence of supply voltage and coils turn number of the stator phase winding on the starting and functional parameters in steady state of the motor have been investigated. Selected results and conclusions have been presented.
